[发明专利]一种椭偏测量的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量，尤其涉及采用椭圆偏振技术对半导体器件和 硅片等材料的表面特性进行测量的方法和装置。

背景技术

椭圆偏振技术(以下简称椭偏或椭偏技术)是一种强大的多功能光 学技术，可用于取得表面的可由电磁波探测到的特性信息，如表面或表 面上薄膜的反射率、厚度、折射率、消光系数、偏振特性、表面微结构、 颗粒、缺陷和粗糙度等等。因其有高敏感性且具有非破坏性和非接触等 优点，而得到了从基础研究到工业应用，从半导体物理、微电子学到生 物学等方面的广泛应用。

现有技术中基于椭偏技术的测量(下称椭偏测量)原理如下，光源 所发射出的光经过第一片偏光镜(通常称为起偏器)后，极化为偏振光， 之后照射在待测表面上。该偏振光经待测表面改变其偏振状态，例如经 过反射后，穿过第二片偏光镜(通常称为检偏器)，随后进入检测器。 通过分析待测样品反射来的光的光强、相位及极化状态，椭偏技术可得 到厚度比探测光波长更短(小至一个单原子层甚至更小)的待测表面的 由电磁波探测到的特性信息。一般而言，椭偏是一门基于光学镜面反射 的技术，其中，入射角等于反射角且入射光与反射光的光路在同一平面 上(称为入射平面)，下文中，将光线经起偏器偏振而得到的偏振光与此 平面平行及垂直的电场分量，分别称为光线的p分量和s分量。当然， 待测表面可以通过多种手段改变该偏振光的偏振状态，包括反射、透射、 光栅衍射等等。在本文中，不失一般性地，主要针对反射情形进行介绍。

现有的基于椭偏技术的测量中，每次测量只能取得一组实验值。因 此，在其测量过程中，一般使用旋转椭偏测量方法，即，起偏器由电机 带动旋转，从而变化起偏方位角；同样，检偏器也由电机带动旋转，使 得检偏方位角也不断变化，根据该多个起偏、检偏方位角进行测量，获 得多组数据，再根据该多组数据来获取待测表面的特性。因此，由于需 要在多个方位角上进行测量，现有的椭偏测量方法存在需要的测量时间 长、测量复杂度高和设备价格昂贵等缺点。

发明内容

为了解决现有技术中由于必须旋转起偏器和检偏器而导致的设备 价格昂贵、测量复杂度高和测量时间长的缺点，本发明提出在椭偏测量 中，使用固定方位角对光源发射出的光线进行起偏，将起偏后的偏振光 照射在待测表面后，对经待测表面反射、和/或透射、和/或衍射后的特 征光进行固定方位角的检偏及相应的光强检测，并获取相位关系信息， 最后，基于所得到的与待测表面相对应的一组光强信息，来确定待测表 面的由电磁波探测到的特性信息。在进行测量时，由于起偏方位角、入 射角、检偏方位角均存在误差，为定标起偏方位角、入射角和检偏方位 角，本发明提出使用参考表面对这些角度进行定标，在定标之后，再对 待测表面的特性进行测量。

根据本发明的第一个方面，提供了一种基于椭圆偏振技术的对待测 表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的方法，其中，包括如下步 骤：i.根据固定起偏方位角来对光线进行起偏，以得到偏振光；ii.将 所述偏振光照射在所述待测表面上，以得到所述待测表面反射、和/或 透射、和/或衍射来的特征光；iv.根据固定检偏方位角来对所述特征光 中的一个或多个进行检偏，分离出所述一个或多个特征光各自的p分量 和s分量；v.分别检测所述特征光的p分量和s分量的光强，以得到与 所述待测表面相对应的一组光强信息，并获取其之间的相位关系信息； 还包括：基于所得到的与所述待测表面相对应的一组光强信息，来根据 预定方式确定所述待测表面的所述特性信息。

可选地，在利用固定方位角对入射光进行起偏并将其照射在待测表 面上后，对之后得到的特征光使用分光镜进行分光，而后对多束分光分 别进行固定方位角的检偏及相应的光强检测，并获取相位关系信息，下 文中，将这种使用分光镜的测量称为分光椭偏测量。通过分光椭偏测量， 可以比不分光的测量方式获得更多的实验数据，即有以下根据本发明的 第二个方面：